一种光纤端面定位方法及其应用

1.本发明涉及光纤加工技术领域，具体是涉及种光纤端面定位方法及其应用。


背景技术：

2.保偏光纤作为一种特种光纤，能够传输线偏振光，保证线偏振方向不变，提高相干信噪比，广泛用于航天、航空、航海、工业制造技术及通信等国民经济的各个领域。相比于普通光纤结构，保偏光纤的包层除了包含纤芯，还包括关于纤芯对称的应力区。根据应力区形状不同,保偏光纤一般分为熊猫型、领结型和椭圆型。一方面，对于普通光纤的熔接，只需要对齐纤芯部分即可，而对于保偏光纤，除了要将纤芯对齐之外，还要对准应力区部分，进一步提升了熔接的难度。另一方面，在光纤四分之一波片制备领域中，将输出线偏振光的保偏光纤尾纤与保偏光纤的输入端进行90
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熔接是非常关键的一步，而如何保证两边光纤90
°
对齐成为了一个难题。目前国内对保偏光纤端面对接技术的研究较少，且市场上的保偏光纤熔接机绝大多数仅包含对芯功能，如果能够将保偏光纤端面对齐和四分之一波片制备方法相结合，确保光纤的对芯熔接功能正常完成的同时，一定程度上也能够支持四分之一波片制备，对我国精密仪器制造有着重大意义。
3.公开号为cn105676356b的专利公开了一种纤芯的定位方法及光纤熔接的纤芯对位校准方法，通过采集待测光纤的侧视图像识别出光纤轮廓，获取并分析灰度图像判断两根光纤的纤芯中心位置，以此方式调整两根光纤的相对位置并校准纤芯位置，但是该发明公开的定位校准方法只能识别出纤芯，不能识别完整的光纤端面，因此不适用于保偏光纤的对接，并且该定位校准方式也不适用于四分之一波片制备领域。


技术实现要素：

4.本领域技术人员熟知熔接后的保偏光纤熔接损耗越小，消光比越大，其熔接效果越佳，而影响熔接性能的关键因素在于对芯的精度，特别是保偏光纤端面对接的精度，一旦端面对齐效果不佳，则会导致熔接效果差，甚至熔接后的光纤无法使用，为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种光纤端面定位方法，通过在自然光照的基础上配合补充光源进行打光即对光线的修正，获取最佳的端面灰度图，从而精确确定光纤端面的目标区域中心位置，对于普通的光纤，目标区域为纤芯，其他位置为背景区域；对于保偏光纤，目标区域则包括纤芯和应力区中心，相应的其他位置为背景区域；在获得相应目标区域的中心位置坐标后则可用于根据不同的目的进行光纤端面的位置精确调整。
5.第一方面，本发明实施例提供一种光纤端面定位方法，包括：
6.设置不同的打光条件并获取不同打光条件下的光纤端面初始图像；对所述光纤端面初始图像进行色域转换处理获得相应的光纤端面灰度图；获取每张光纤端面灰度图中目标区域与背景区域的灰度值差值，并进行比较，灰度值差值最大的光纤端面灰度图即为最佳光纤端面灰度图；
7.采用中值滤波对所述最佳光纤端面灰度图进行图像椒盐噪声滤除处理获得更高
质量的光纤端面灰度图标记为高清灰度图；
8.采用最大类间方差算法对所述高清灰度图进行算法迭代实现自适应二值化，即可获得图像中目标区域的中心位置坐标，在保偏光纤中即为纤芯中心位置坐标和应力区中心位置坐标。
9.需要说明的是，本发明所述的不同的打光条件包括：补充光源的色温、补充光源的功率、补充光源的打光角度以及光纤的弯曲程度，但不仅限于上述打光条件，凡是对获取的光纤端面灰度图中的目标区域和背景区域灰度值差值产生影响外界非自然的光照条件变化均属于本发明所述的打光条件，其中，所述光源的色温的变换范围包括但不仅限于白光、暖白和红光；光源的功率选择范围在0.5-1.5w内较佳，若功率过高或过低将会导致获取的光纤图像丧失细节，不利于获取较大的灰度值差；如图4所示，补充光源的打光角度指的是以光纤所在水平面为基准，将光纤端面的正后方作为初始角度即为0
°
,在调试过程中在光纤所在的水平面上以顺时针或逆时针的方向增加角度直至增加到180
°
；所述光纤的弯曲程度指的是在光纤端面固定的前提下，光纤未固定的部分在补充光源直射的部分进行弯曲的角度，所述弯曲的角度范围在0～90
°
，若角度过大将会导致光纤弯曲损耗严重，影响到实验结果，甚至破坏光纤的结构；
10.需要说明的是，一般情况下，数字图像实现二值化的方法将人工选取一个阈值用来划分图像的灰度值，大于阈值部分的灰度值将被重新赋值为1，呈现出白色；小于阈值部分的灰度值将被重新赋值为0，呈现出黑色，由于人工选取阈值将会带来一定的误差，特别是会损失物体边缘附近图像的精度，这种方法在简单场景下适用，但对于本发明的光纤来说，有必要最大程度保留物体边缘特性，因此，本发明采用最大类间方差法处理高清灰度图实现自适应二值化。
11.优选的，所述光纤端面初始图像的输出分辨率不低于1280*720；
12.进一步的，所述色域转换处理过程具体为采用加权平均值法对所述光纤端面初始图像进行预处理，所述加权平均值法指的是按照一定权值对所述光纤端面初始图像的r、g、b的值进行加权平均后由rgb三原色空间转换为ycbcr亮度色差空间，再提取出y分量，输出所述光纤端面灰度图。
13.进一步的优选的，采用中值滤波对所述最佳光纤端面灰度图进行图像椒盐噪声滤除处理的步骤具体为，首先，采用现场可编程门阵列fpga和静态随机存取存储器sram架构缓存两行像素，待第三行像素到来时开始处理，构成形为3*3像素矩阵的滤波模板；其次，采用快速排序算法提取出3*3像素值矩阵中的中值；最后，用像素中值代替原来的像素值。
14.优选的，所述一种光纤端面定位方法获得的目标区域中心位置坐标可采用fpga寄存器资源实时记录并存储，采用fpga架构所带来的硬件加速特性，可以对端面图像进行高速算法处理和识别，几乎达到零延时，同时利用图像处理之后输出的结果精确控制步进电机驱动光纤旋转。
15.第二方面，本发明提供上述光纤端面定位方法在保偏光纤熔接中的应用，通过本发明光纤端面定位方法获得高精度的纤芯中心位置坐标与应力区中心位置坐标后，即可根据实际光纤制作目的和需求，选取相应的光纤基准坐标包括纤芯中心位置基准坐标和应力区中心位置基准坐标；本发明所述的光纤端面定位方法尤其是在保偏光纤对芯或四分之一波片制作中具备较高的优势；
16.本发明所述光纤端面定位方法用于保偏光纤对接熔接时，根据所选光纤基准坐标作为基准，先比较目前获得的纤芯中心位置坐标与纤芯中心位置基准坐标，驱动步进电机在光纤端面所在平面移动进行纤芯中心位置的调整，然后比较目前获得的应力区中心的坐标与应力区中心位置基准坐标，驱动步进电机旋转，进行一致性调整；需要说明的是，驱动步进电机旋转时，此时由于纤芯位置固定，则纤芯的横纵坐标数值不会发生太大的变动，而光纤两边应力区中心横纵坐标变化较大。
17.第三方面，本发明提供上述光纤端面定位方法在四分之一波片制作中的应用，本发明所述光纤端面定位方法用于全光纤四分之一波片制作中时，一侧光纤选取该纤芯横坐标作为基准，则另一侧光纤应选取该侧纤芯纵坐标作为基准，只需将一端光纤端面应力区中心横坐标旋转至与纤芯横坐标对齐，另一端应力区中心纵坐标旋转至与纤芯纵坐标对齐，此时两端光纤端面应成90
°
，此时光纤端面的快轴与慢轴应保持互相垂直，其中快轴为折射率小的方向，光传输速度较快的一个光轴，垂直穿过两个应力区中心连线的中点，慢轴为穿过两个应力区终点的一个光轴，为折射率大的方向，传输速度较慢，其示意图如图2所示。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
19.本发明提供的光纤端面定位方法通过获取光纤端面图像，配合打光方式的变换和选取，不仅巧妙地降低了图像识别难度，而且能够实现保偏光纤端面高效精准对接，从而降低光纤的熔接损耗，保持稳定的消光比；
20.本发明提供的光纤端面定位方法适用于不同保偏光纤的端面对齐和熔接，既可用于熊猫型保偏光纤的对芯，同时也可以适用于其他的保偏光纤，如领结型、椭圆型保偏光纤，还能够支持光纤四分之一波片制备中的端面90
°
对齐，应用范围较广。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
22.图1为本发明实施例提供的一种光纤端面定位方法流程图；
23.图2为本发明所述光纤快轴和慢轴示意图；
24.图3为具体实施方式中所述经色域转换处理后获得的光纤端面灰度图；
25.图4为具体实施方式中所述对光纤进行具体打光实验示意图；
26.图5为具体实施方式中所述光纤端面灰度图中目标区域与背景区域的灰度值差值曲线变化示意图；
27.图6为具体实施方式中所述光纤端面中值滤波处理后示意图；
28.图7为具体实施方式中所述光纤端面自适应二值化处理后示意图；
29.图8为具体实施方式中所述光纤端面对齐效果示意图。
具体实施方式
30.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
31.以下实施例具体以两根熊猫型保偏光纤熔接时的对位校准为例具体阐述本发明所述光纤端面定位方法的操作过程和应用过程，在光纤熔接时，需要将两根光纤的熔接端面移动预定的位置，以使两根光纤之间的距离很小但是存在少许的误差，而没有对准，此时需要调节两个光纤端面的位置关系，以使两个端面对准。
32.为了克服现有的光纤对准的误差缺陷，本发明实施例提供了一种光纤端面定位方法以及利用上述方法的保偏光纤熔接的纤芯对位校准方法，本实施例具体选取两根芯径为9微米的熊猫型保偏光纤，如图1所示光纤端面定位方法包括以下步骤：
33.s100将两根光纤的端面沿横截面切割角度为3
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的光纤初步对准置于光纤熔接机平台上，根据侧视图像通过光纤位移平台使两根光纤在初步对齐，此处的初步对齐仅仅为肉眼可见的初步对齐，可以大幅节省后续高精度调整的位移幅度；
34.s200然后对两根光纤分别进行打光条件的变化以获取最佳最佳光纤端面灰度图，具体的，在不同的打光条件下分别获取多张光纤端面初始图像即光纤端面的rgb图像；本实施例通过采用棱镜系统获取两根光纤端面的rgb图像，图像分辨率为1280*720，并将所采集的每一帧图像实时传入至fpga器件中；对所述光纤端面初始图像进行色域转换处理获得相应的光纤端面灰度图；获取每张光纤端面灰度图中目标区域与背景区域的灰度值差值并进行比较，本实施例中目标区域包括纤芯和应力区中心，灰度值差值最大的光纤端面灰度图即为最佳光纤端面灰度图；
35.上述色域转换处理具体采用线性加权法，由于在fpga中verilog hdl无法进行浮点运算，因此，本实施例具体是根据rgb三原色空间到ycbcr亮度色差空间的转换公式即y＝0.299*r 0.587*g 0.114*b，通过将所述公式中的浮点数定点化，采用通过先扩大256倍，再向右移8bit的方式来转换公式，最终采用的转换公式为：y＝((77*r 150*g 29*b)》》8)此时，结合流水线的设计思想，利用fpga富含的加法器，乘法器，移位寄存器等资源，将所述公式移植到fpga平台中实现硬件加速，提取出y分量，最终提取出y分量，获得光纤端面的灰度图，如图3所示为本实施例获得的最佳光纤端面灰度图。
36.为获取最佳光纤端面灰度图，通过调节光源色温、功率、对光纤的打光角度及调整光纤自身的弯曲程度进行对光纤打光条件的变换调整，具体的本实施例中光源选用白光、暖白和红光三种，功率选取0.5w、1w、1.2w和1.5w四档；光纤的打光角度，以光纤所在水平面为基准，将光纤端面的正后方作为初始角度即为0
°
,在调试过程中在光纤所在的水平面上以顺时针或逆时针的方向增加角度直至增加到180
°
每递增10
°
视为一个测量的打光角度，直到对光纤完成0～180
°
的打光，顺时针或逆时针的方向各进行一次；
37.调整光纤自身的弯曲程度中，固定光纤端面处保持不变，弯曲光纤中部位置，以光纤平直时作为初始，记录为0
°
，此后每递增弯曲15
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视为一个光纤弯曲的测量点，直到完成对光纤0～90
°
弯曲测量。本实施例具体的选取白光作为初始光源，功率为0.5w，固定打光角度为0
°
，同时保持光纤平直。首先将光纤弯曲程度视为实验中的唯一变量，保持光源类型、功率及打光角度等不变，当对光纤弯曲程度这一变量测试和数据记录完成之后，则按照打
光角度，功率，光源类型这一顺序逐一替换实验变量，直到完成所有的实验测量和数据记录，对光纤进行具体打光实验示意图如图4所示。同时，打光变化过程中，将光纤纤芯与应力区中心灰度值使用上位机通过串口实时显示和记录，并绘制成目标区域与背景区域灰度值差值变化曲线图，如图5所示。最后，根据曲线图找到纤芯与应力区中心灰度差值最大的位置，同时固定此时的变量；本实施例具体是在晴好天气的实验室空间内，最终两根光纤的获取的最佳光纤端面灰度图对应的打光条件一致，具体是1w白光源，左侧面50
°
照射光纤，光纤弯曲程度为45
°
，需要说明的是，在具体操作时，使用者可根据环境和光纤种类变化及实际光照情况选择最佳的光源功率及打光角度，选取的依据即光纤目标区域与背景区域的灰度值差值达到最大；
38.s300将中值滤波算法移植到fpga平台中处理所述最佳光纤端面灰度图，过滤椒盐噪声，平滑图像，获取更高画质光纤端面图像简称高清灰度图，其示意图如图6所示。算法移植的步骤包括：首先，采用fpga中的bram资源缓存两行像素，等待第三行像素到来时开始处理，构成形为3*3像素矩阵的滤波模板；其次，采用快速排序算法提取出3*3像素值矩阵中的中值，其中，所述快速排序算法示意图如图7所示；最后，再用9个像素的中值代替原来的像素值。需要说明的是，fpga处理中值滤波算法时将消耗三个时钟周期，为了与像素数据保持同步，行场同步信号也需要相应的偏移三个时钟。
39.s400对所述高清灰度图进行最大类间方差法处理，实现自适应二值化，进一步定位纤芯和应力区中心位置，其示意图如图7所示；首先，计算图像的直方图，即将图像所有的像素点按照0～255共256个灰度值区间，统计落在每个区间的像素点数量；其次，归一化直方图，即将每个区间中像素点数量除以总的像素点，使其限制在0～1之间；第三，设置一个分类的阈值，也即一个灰度等级，开始从0迭代；第四，通过归一化的直方图，统计0～i灰度级的像素且定义此处像素值在此范围的像素叫做前景像素，前景像素所占整幅图像的比例w0，并统计前景像素的平均灰度u0；统计i～255灰度级的像素且定义像素值在此范围的像素叫做背景像素，背景像素所占整幅图像的比例w1，并统计背景像素的平均灰度u1；在这里，设图像的总平均灰度为u2，类间方差记为g。其中：u2＝w0*u0 w1*u1，g＝w0(u
0-u2)2 w1(u
1-u2)2，将u2带入g中，可得：g＝w0w1(u
0-u1)2；第五，阈值的灰度值加1，并转到第4个步骤，直到i为256时结束迭代；最后，将最大g相应的值作为全图最佳阈值，实现光纤端面灰度图像自适应二值化。
40.s500使用12个寄存器，分别记录下两个光纤端面纤芯及应力区中心的横坐标和纵坐标。
41.根据所需实现保偏光纤对芯制作需求，两边光纤应同时选取横坐标或纵坐标作为基准，步进电机旋转光纤，直至应力区中心的横纵坐标与所述选取的纤芯基准横坐标或纵坐标一致时停下，此时两边光纤纤芯端面的快轴和慢轴保持一致；
42.根据所需实现的功能，实时比较寄存器中纤芯基准横纵坐标与应力区中心的横纵坐标的数值，当数值不同时，将驱动步进电机旋转光纤直到数值相同，完成对应的功能。需要说明的是，由于纤芯位置固定不变，则在光纤旋转过程中，纤芯位置的横纵坐标不会发生改变，而应力区中心位置的横纵坐标将随着光纤的旋转不断发生变化，直到达到预期的功能时，光纤停止转动。光纤端面对齐效果示意图如图8所示。
43.测试例1：消光比测试
44.采用上述方法对芯后的光纤消光比测试，本次测试采用消光比测定方法进行效果测试，测试过程如下：
45.在管线熔接前，待熔接的一组光纤中的其中一根光纤插入适配器，后接入消光比测试仪，读取屏幕上的消光比的值，记录下此时读数为初始消光比；同样的方法，将熔接后的光纤接入消光比测试仪，读消光比为熔接后的消光比，样本数量为五组待熔接光纤，每个样本重复测量5次，将5次的平均值计入下表中。
46.光纤熔接前后的消光比：
47.实验样本第一组第二组第三组第四组第五组初始消光比43.3db47.9db46.1db46.7db47.4db熔接后消光比35.8db36.6dbb35.5db37.6db38.3db
48.通过测试例1的结果表明，通过上述对芯方法对芯后的熊猫型保偏光纤在熔接后具有良好的消光比。
49.测试例2：熔接损耗测试
50.测试系统包括保偏光源和光功率计，首先调整保偏光源的输出功率，使得输出功率在光功率计的范围以内，待系统预热以后，读取稳定的光功率值p0作为基准参考，将光功率计切换为相对模式，并做归零操作；将熔接后的光纤接入系统，注意熔接点距离光功率计的距离每次保持恒定且大于2m，测出此时的光功率值，此时为该光纤熔接后的熔接损耗，多次实验，取平均值，测量结果如下表：
51.实验次数第一次第二次第三次第四次第五次熔接损耗0.033db0.035db0.042db0.037db0.039db
52.通过测试例2结果表明：通过上述对芯方法对芯后的熊猫型保偏光纤在熔接后的熔接损耗很低。
53.以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。